一種高效糖化草本能源植物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高效糖化草本能源植物 的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 化石燃料的不可再生及其大量消耗導(dǎo)致能源供給及生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，引起了 人們對環(huán)境友好型可再生能源研宄和開發(fā)的關(guān)注。在此背景下，基于"糖平臺"的木質(zhì)纖維 素類生物質(zhì)精煉，用以生產(chǎn)可替代石油產(chǎn)品的燃料和化學(xué)品研宄日益受到重視。在被稱為 "糖經(jīng)濟(jì)"科技發(fā)展的21世紀(jì)，將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的多糖組分（纖維素和半纖維素）降 解為可溶性單糖或低聚糖等糖中間體是推動實現(xiàn)"糖經(jīng)濟(jì)"的重要基礎(chǔ)和保證。
[0003]目前生物質(zhì)水解糖化的手段主要有無機(jī)酸水解和纖維素酶水解兩種，纖維素酶水 解以其反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)物單一的優(yōu)勢，已成為生物質(zhì)制糖的重要發(fā)展方向。但因木質(zhì)纖 維素類生物質(zhì)致密和復(fù)雜的空間三維結(jié)構(gòu)，纖維素結(jié)晶及半纖維素和木質(zhì)素的網(wǎng)狀包埋影 響，直接利用纖維素酶水解的效率較低。為此，在酶解糖化前，往往需要通過預(yù)處理打破木 質(zhì)纖維素致密結(jié)構(gòu)，以增加后續(xù)酶水解效率。
[0004] 與傳統(tǒng)的酸堿法、氨纖維爆破等預(yù)處理方法相比，水熱預(yù)處理過程使用綠色廉價 的反應(yīng)介質(zhì)，具有成本低、效率高、環(huán)保、對設(shè)備要求較低等優(yōu)勢，已成為預(yù)處理領(lǐng)域的研宄 熱點。然而，水熱預(yù)處理能耗較高，推高了生物質(zhì)糖化成本，為此，開發(fā)出高效低耗的生物質(zhì) 糖化方法，對提高木質(zhì)纖維素產(chǎn)糖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性任具有重要意義。
[0005] 草本能源植物被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的生物質(zhì)能資源之一，是指經(jīng)專門種植， 用以提供能源原料的一類草本植物，包括狼尾草、象草、柳枝稷、芒屬作物等。由于草本能源 植物結(jié)構(gòu)相對松散，富含纖維素和半纖維素而木質(zhì)素含量低，草本能源植物是一種很好的 生物質(zhì)糖化原料。
[0006] 目前相關(guān)水熱預(yù)處理的酶解糖化專利有：CN101818217提供了一種以低濃度金屬 離子催化，水熱糖化生物質(zhì)中半纖維素組分的方法；CN101613728公開了一種以堿性水熱 預(yù)處理的草漿類纖維高效糖化方法；CN101586136公開了一種采用兩步分段變溫水熱預(yù)處 理方式，高效回收木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)中糖類產(chǎn)物的方法；CN103993053公開了一種木質(zhì) 纖維素類生物質(zhì)組分高效利用的高溫液態(tài)水-氨法兩步預(yù)處理工藝；CN104073533提供了 一種水熱水解液循環(huán)使用，水解渣超聲處理的低耗能熱水解生物質(zhì)預(yù)處理方法及其裝置； CN102174594提供了一種生物質(zhì)水熱預(yù)處理后，添加表面活性劑，用分批補(bǔ)料酶解方式，以 提高酶解液糖濃度的方法。
[0007] 上述現(xiàn)有方法中，水熱預(yù)處理大都在低底物濃度下進(jìn)行，單位原料能耗高；預(yù)處理 過程中糖組分流失，降低了原料糖組分利用；預(yù)處理后需脫毒處理，以滿足酶解要求；需多 步預(yù)處理才能達(dá)到高效酶解；水解液糖濃度有限，限制了后續(xù)轉(zhuǎn)化利用等不足都制約了木 質(zhì)纖維素類生物質(zhì)糖化技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點與不足，提供一種高效糖化草本能源 植物的方法，以草本能源植物為原料，采用酶解耦合緩沖溶液水熱預(yù)處理方式，高效糖化原 料中纖維素和半纖維素組分。
[0009] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0010] 一種高效糖化草本能源植物的方法，該方法包括以下步驟：
[0011] a、將粉碎后粒度小于1cm的未經(jīng)預(yù)處理的草本能源植物原料和纖維素酶添加至 酶解液中，pH4. 8,50°C下酶解24-96h后，固液分離，得到酶解渣I和酶解糖液I;所述酶解 原料的質(zhì)量體積濃度為10%?30%g/mL;所述纖維素酶用量為10?30FPU/g纖維素；
[0012] b、步驟a得到的酶解渣I在含有硼酸或硼酸鹽的pH為4?6的水熱緩沖溶液中 100?180°C水熱預(yù)處理10?60min后，固液分離，得到預(yù)處理渣和預(yù)處理糖液；所述酶解 渣I的質(zhì)量體積濃度為10?30%g/mL;所述水熱預(yù)處理環(huán)境為惰性氣氛，壓力為2-4MPa;
[0013] c、步驟b得到的預(yù)處理渣，添加纖維素酶后，以步驟a中所述酶解液或酶解糖液I 為介質(zhì)，重復(fù)步驟a，繼續(xù)酶解，并固液分離得到酶解渣II和酶解糖液II;
[0014] d、步驟c得到的酶解渣II重復(fù)步驟b，直到得到的預(yù)處理糖液中糖濃度不再增加 為止。
[0015]所述步驟a和步驟c得到的酶解糖液I、酶解糖液II作為酶解介質(zhì)循環(huán)使用，以進(jìn) 一步提高酶解液中糖濃度。
[0016] 步驟b中得到的預(yù)處理糖液可用于下一輪的水熱預(yù)處理，以富集糖并減小水量消 耗。
[0017] 所述草本能源植物選自狼尾草、象草、柳枝稷、芒屬作物中的一種或一種以上。
[0018] 所述含有硼酸或硼酸鹽的pH為4?6的水熱緩沖溶液選自磷酸二氫鉀-磷酸氫 二鉀-硼酸、磷酸-磷酸鈉-硼酸鈉、檸檬酸-檸檬酸鈉-硼酸中的任一種。
[0019] 所述固液分離選自離心分離、壓濾分離或沉降分離中的任一種。
[0020] 所述酶解糖液和預(yù)處理糖液中主要糖類組分為葡萄糖、木糖、低聚木糖、纖維二糖 等由原料中纖維素和半纖維素組分水解糖化而產(chǎn)生的水溶性六碳糖、五碳糖、低聚己糖和 低聚戊糖。
[0021] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] (1)采用先酶解后預(yù)處理的方式減少了所需預(yù)處理原料量，進(jìn)而減少用水和能 耗；
[0023] (2)預(yù)處理糖液和酶解糖液循環(huán)使用，可富集溶液中的糖，以利后續(xù)轉(zhuǎn)化利用；
[0024] (3)步驟b以緩沖溶液水熱預(yù)處理，可在保持預(yù)處理強(qiáng)度的同時避免預(yù)處理糖液 循環(huán)使用過程中的不斷酸化，進(jìn)而減少酸引起的可溶性糖降解消耗，有利于提高溶液中糖 濃度；
[0025] (4)酸性水熱緩沖溶液在循環(huán)預(yù)處理過程中，能不斷水解溶液中的低聚糖，提高溶 液中單糖濃度；
[0026] (5)水熱緩沖溶液中硼酸或硼酸鹽可與糖分子中的羥基配位絡(luò)合，有利于糖的穩(wěn) 定富集；
[0027] (6)預(yù)處理渣中殘余毒性物質(zhì)少，所含溶液pH與酶解所需pH接近，故預(yù)處理渣無 需脫毒，加入酶解液和酶后，即可直接酶解；
[0028] (7)酶隨酶解糖液循環(huán)使用，可有效提高酶使用效率，降低成本。
[0029] 總之，本發(fā)明以草本能源植物為原料，采用先酶解后耦合緩沖溶液水熱預(yù)處理方 式，高效糖化原料中纖維素和半纖維素組分的方法。本發(fā)明原料易得，通過先酶解后預(yù)處理 和水解液循環(huán)使用的簡單工藝，在原料糖組分高效回收利用的基礎(chǔ)上，減少預(yù)處理過程中 用水量，降低能耗，且可有效提高預(yù)處理液和酶解液中糖濃度，以便于后續(xù)轉(zhuǎn)化利用。本發(fā) 明環(huán)保、高效，能夠?qū)崿F(xiàn)草本能源植物中纖維組分的高效利用，糖損失少，回收率高。
【具體實施方式】：
[0030] 以下是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。
[0031] 實施例1 :
[0032] 以狼尾草為原料，將其粉碎至粒度小于1cm，置于酶解反應(yīng)裝置中，按酶解原料的 質(zhì)量體積濃度為10%g/mL加入酶解液，以20FPU/g纖維素的比率加入纖維素酶，在pH4. 8， 溫度50°C的條件下酶解24h后，固液分離，收集酶解渣和酶解糖液；將酶解渣置于水熱預(yù) 處理反應(yīng)裝置中，按質(zhì)量體積濃度為10%g/mL加入pH為5的水熱緩沖溶液（磷酸-磷酸 鈉-硼酸鈉）后攪拌均勻，在180°C，4MPa氮氣氛圍中，反應(yīng)lOmin，固液分離，收集預(yù)處理殘 渣和預(yù)處理糖液；將預(yù)處理殘渣置于酶解反應(yīng)裝置中，按酶解原料的質(zhì)量體積濃度為10% g/mL加入上述酶解糖液，以20FPU/g纖維素的比率加入纖維素酶，在pH4. 8,溫度50°C的條 件下酶解48h后，固液分離。此時，原料中纖維素糖化利用率為90%，其中，酶解糖液中所含 水溶葡萄糖和低聚己糖占原料所含葡萄糖總量的83%，預(yù)處理水解糖液中所含水溶葡萄糖 和低聚己糖占原料所含葡萄糖總量的7%。原料中半纖維素糖化利用率為93%，其中，酶解 糖液中所含水溶木糖和低聚戊糖占原料所含木糖總量的35%，預(yù)處理水解糖液中所含水溶 木糖和低聚戊糖占原料所含木糖總量的58%。
[0033] 實施例2 :
[0034] 以狼尾草為原料，將其粉碎至粒度小于1cm，置于酶解反應(yīng)裝置中，按酶解原料的 質(zhì)量體積濃度為10%g/mL加入酶解液，以30FPU/g纖維素的比率加入纖維素酶，在pH4. 8， 溫度50°C的條件下酶解24h后，固液分離，收集酶解糖液，并將其循環(huán)使用于酶解過程。循 環(huán)過程中酶解原料預(yù)處理條件、酶解條件和結(jié)果如下表所示，酶解糖液在經(jīng)過4次使用后， 酶解糖液中葡萄糖濃度達(dá)到203. 7g/L，木糖濃度達(dá)到47. 8g/L。
[0035] 表1循環(huán)使用后酶解糖液中糖濃度變化
[0036]
【主權(quán)項】
1. 一種高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： a、 將粉碎后粒度小于lcm的未經(jīng)預(yù)處理的草本能源植物原料和纖維素酶添加至酶解 液中，pH4. 8,50°C下酶解24-96h后，固液分離，得到酶解渣I和酶解糖液I ;所述酶解原料 的質(zhì)量體積濃度為10%?30% g/mL ;所述纖維素酶用量為10?30FPU/g纖維素； b、 步驟a得到的酶解渣I在含有硼酸或硼酸鹽的pH為4?6的水熱緩沖溶液中100? 180°C水熱預(yù)處理10?60min后，固液分離，得到預(yù)處理渣和預(yù)處理糖液；所述酶解渣I的 質(zhì)量體積濃度為10?30% g/mL ;所述水熱預(yù)處理環(huán)境為惰性氣氛，壓力為2-4MPa ; c、 步驟b得到的預(yù)處理渣，添加纖維素酶后，以步驟a中所述酶解液或酶解糖液I為介 質(zhì)，重復(fù)步驟a，繼續(xù)酶解，并固液分離得到酶解渣II和酶解糖液II ; d、 步驟c得到的酶解渣II重復(fù)步驟b，直到得到的預(yù)處理糖液中糖濃度不再增加為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，所述步驟a和步 驟c得到的酶解糖液I、酶解糖液II作為酶解介質(zhì)循環(huán)使用。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，步驟b中得 到的預(yù)處理糖液用于下一輪的水熱預(yù)處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，所述草本能 源植物選自狼尾草、象草、柳枝稷、芒屬作物中的一種或一種以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，所述含有硼 酸或硼酸鹽的pH為4?6的水熱緩沖溶液選自磷酸二氫鉀-磷酸氫二鉀-硼酸、磷酸-磷 酸鈉-硼酸鈉、檸檬酸-檸檬酸鈉-硼酸中的任一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效糖化草本能源植物的方法，其特征在于，所述固液分 離選自離心分離、壓濾分離或沉降分離中的任一種。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效糖化草本能源植物的方法，包括以下步驟：a、將未經(jīng)預(yù)處理的草本能源植物原料和纖維素酶添加至酶解液中，pH4.8，50℃下酶解，固液分離，得到酶解渣Ⅰ和酶解糖液Ⅰ；b、步驟a得到的酶解渣Ⅰ在含有硼酸或硼酸鹽的pH為4～6的水熱緩沖溶液中，水熱預(yù)處理后，固液分離得到預(yù)處理渣和預(yù)處理糖液；c、步驟b得到的預(yù)處理渣，重復(fù)步驟a得到酶解渣Ⅱ和酶解糖液Ⅱ；d、步驟c得到的酶解渣Ⅱ重復(fù)步驟b，直到得到的預(yù)處理糖液中糖濃度不再增加為止。本發(fā)明在原料糖組分高效回收利用的基礎(chǔ)上，減少預(yù)處理過程中用水量，降低能耗，且有效提高預(yù)處理液和酶解液中糖濃度，以便于后續(xù)轉(zhuǎn)化利用。
【IPC分類】C12P19-02, C12P19-14
【公開號】CN104531807
【申請?zhí)枴緾N201410812247
【發(fā)明人】袁振宏, 譚雪松, 莊新姝, 趙月, 余強(qiáng), 亓偉
【申請人】中國科學(xué)院廣州能源研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月23日